最新2022年TI杯 江苏省大学生电子电路设计竞赛 C题 一等奖 锁定放大器 设计报告

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1、选题：C题 锁定放大器的设计参赛队编号： NJ290 学生姓名： 田原 惠琦 李一博2014 江苏省大学生电子设计竞赛 TI杯作品设计报告摘要本系统是基于相敏检波(PSD)技术的锁定放大器(LIA)，用于实现强干扰背景下uV级微弱信号的有效检测。本文给出一种基于TI器件的解决方案。系统由信号通道、参考通道、相敏检波器三部分组成。其中信号通道由加法器、分压网络组成，实现信号与干扰的叠加并将大信号衰减为微弱信号，参考通道包括移相电路、触发整形电路，生成用于驱动模拟开关实现PSD的方波信号。相敏检波器为核心，检波后经低通滤波输出直流信号供AD采样处理。经单片机简单计算，在液晶屏上显示微弱信号幅值。经

2、测试，本系统较好完成了微弱信号的检测。关键词：微弱信号检测 锁定放大 相敏检波 AbstractThe system is a lock-in amplifier (LIA) designed with phase sensitive detection (PSD) technique . The amplitude of low-level signal (uV ) added with high noise can be detected correctly. The article describes a solution using TI devices.The device cons

3、ists of three modules . The signal channel achieves the superposition of noise and signal . A voltage divider built with pure resistor network is also included in signal channel to produce the low-level signal. The reference channel moves the phase of reference input and generate a square wave seque

4、nce to drive the analog switch CD4053 which is responsible for the phase-sensitive detection. A low-pass filter is used to extract the DC component of PSD signal which is linear related to the amplitude of the detected low-level signal. The system works well in test.KEY WORDS : Low-level signal , Lo

5、ck-In amplifier , Phase-sensitive detection目录INDEX一、方案选择与论证11.1方案选择与论证11.2总体设计思想1二、理论分析与计算32.1移相电路32.2带通滤波器32.3相敏检波5三、电路与程序设计73.1加法器模块设计73.2纯电阻分压电路设计7 正弦波信号源分压7干扰信号分压电路83.3信号通道与参考通道设计9信号通道9参考通道93.4开关型相敏检波器设计103.5采样与显示电路设计113.6程序流程图12四、测量结果134.1无干扰情况134.2一倍干扰情况134.3十倍干扰情况13五、结论14六、参考文献15七、附录16A.电源模块原

6、理图 16B.锁定放大器原理图16County continuation records has examined and approved the draft, spirit, believe, comprehensive Yearbook of zhuanglang already prepared draft, entered the phase of evaluation. Civil air defense work一、方案选择与论证1.1方案选择与论证方案一：由晶体二极管和变压器组成的相敏检波器，由于变压器的对称性差及二极管的非线性,限制了它的使用范围。方案二： 采用集成模拟乘法器

7、组成的相敏检波器,虽然采用了集成模拟乘法器,在性能较方案一能有较大提高,但是由于调试复杂、价格高昂。方案三：采用模拟开关组成的相敏检波器,具有调试方便,动态范围大和价格低廉等优点。综上所示，选择方案三作为系统基本方案。1.2总体设计思想参考信号R(t)输入后分两路，一路送信号通道，一路送参考通道。R(t)在信号通道中经过3600倍衰减获得待测微弱信号，送加法器与干扰叠加，是否引入干扰、干扰倍数可通过切换继电器控制，且干扰也经过同结构纯电阻网络分压，叠加了干扰的微弱信号经两阶带通滤波器滤波后送相敏检波器处理。R(t)在参考通道中先经移相电路移相，使得与信号通道末的微弱信号相位一致，经触发整形生成

8、驱动方波送相敏检波器处理。相敏检波器利用模拟开关实现检波，输出信号经两阶低通滤波提取直流分量。AD进行采样转换，单片机读取AD值，进行简单计算处理现实对应微弱信号幅值。总体设计框图如图1.移相电路纯电阻分压触发整形PSD相敏检波器干扰选择AD采样显示加法器干扰源N(t)小信号S(t)参考输入R(t)大信号R(t)信号通道参考通道纯电阻分压图1 总体设计框图二、理论分析与计算2.1移相电路如图2所示，该移相电路核心部分由电阻电容构成，差分输出，可计算出其传递函数为：Hj=US21-jRC1+jRC观察幅频特性，对其取模，可知：Hj=1 ,argHj=-2其中，=arctan(RC)可见，图示移相

9、电路具有结构简单、无额外增益、稳定性好的特点，且可以实现0到180相移。图2 移相电路核心2.2带通滤波器由题意，本题需要设计中心频率f0=1000Hz，3dB频带范围为900Hz1100Hz的带通滤波器。利用TI Filterpro软件辅助设计，取品质因数Q=5，反馈方式为多重反馈，可得通频带BW=200Hz,。设计电路如图3，幅频特性如图4。图3 带通滤波器图4 BPF幅频特性曲线2.3 相敏检波相敏检波器分为模拟乘法器和开关式乘法器，此处采用开关式乘法器。相敏检波器（PSD）的本质其实就是对两个信号之间的相位进行检波，当两个信号同频同相时，这时相敏检波器相当于全波整流，检波的输出最大，亦

10、可在相位相反时进行检波，电路略有不同，本设计采用反相。图5为相敏检波器的基本框图。图5 PSD基本框图PSD工作过程如下：设输入信号为。参考输入时幅度为的方波，其周期为，角频率为，根据傅里叶分析的方法，这种周期性函数可以展开为傅里叶级数可得的傅里叶级数表示式为上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过LPF的滤波作用，的差频项及所有的和频项均被滤除，只剩的差频项为当方波幅度时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当为时，电子开关的输出连接到；当为时，电子开关的输出连接到，这时LPF的输出为当经过开关乘法器，角度之差为0时，输出信号最大。 三、电路与程序设计3.1加法器模块电路设计INA

11、128是一款精密的低功耗仪表放大器，它具有宽带宽，极低的失调电压（50V），漂移（0.5V/）和高共模抑制（增益100时120dB）。当其1,8管脚悬空时，它的增益是1，可得输入信号（Vi）等于标准信号(St)和干扰信号(SW2)的叠加，即Vi=SW2-St。由于干扰信号是正弦波交流信号，故相当于给原信号加上了一个干扰信号。电路如图6所示。图6 加法器模块3.2纯电阻分压电路设计正弦波信号源分压正弦波信号源（Rt）经隔直电容后进入衰减比为3600：1的网络得到St，所以选取分压电阻分别为3.6k欧和1欧。电路如图7.图7 正弦波信号源分压干扰信号（Nt）分压电路为实现干扰信号为零，信号SW2：

12、信号St=1：1，信号SW2：信号St=10:1三种模式的切换，使用两个继电器实现。电路如图8所示。当SW2的3脚接2脚时，无干扰信号当SW2的5脚接6脚，SW1的5脚接2脚，Nt:SW2=3600:1，此时SW2：St=1：1当SW2的5脚接6脚，SW1的5脚接6脚，Nt:SW2=360:1，此时SW2：St=10：1。图8 干扰信号分压电路3.3信号通道与参考通道设计3.3.1信号通道叠加了干扰的微弱信号利用交流放大器使用INA128U精密仪表放大器，根据数据手册G=1+50k/Rg，取Rg=68计算的得G=736。电路为图9。图9 信号前级放大电路3.3.2参考通道参考通道包括移相器和比

13、较器。移相器核心部分由电阻电容组成，移相后的信号接跟随器，以差分形式输出，使得幅值与输入一致。电路如图10所示。图10 移相器电路移相后的信号经一级跟随送LM311触发整形，生成用于驱动模拟开关的方波信号。电路如图11图11 触发整形电路3.4开关型相敏检测器信号通道末，带通滤波器的输出Vo同时经过输入到模拟开关CD4053；信号通道末，经过移相电路移相、触发整形后的方波信号(与信号反相)Sq用于驱动模拟开关工作，模拟开关切换实现+1/-1的乘法功能，完成对信号的PSD调制。其输出信号经两阶低通滤波器实现输出与待测信号值有线性关系的直流信号，经参数匹配后可有效滤除交流信号。输出最后再经过一级直

14、流放大输出给AD供采样。具体电路为图12。图12 相敏检波器电路3.5采样与显示电路设计AD采样电路如图所示，AD7991通过IIC总线与单片机相连。图13.图13 AD7991电路控制部分如图所示，采用TI公司MSP-3XP430F5529LP Launchpad开发板作为控制平台，连接外围I/O器件，由AD读取采样值，经简单计算输出检测结果。电路框图如图14所示。AD采样输入数字电位器控制TFT液晶控制信号触摸屏信号输入XPT2046 电阻式触摸屏AD转换电路ILI9325 320*240液晶驱动电路液晶显示器触摸屏 MSP-EXP430F5529LPLaunchpad图14 控制电路框图

15、主函数 main()中断服务程序 ISRs中断1标志置位清中断标志置无操作标志中断2标志置位清中断标志清无操作标志等待取样完成中断3标志置位根据全局功能变量显示触屏对应菜单(长时间无操作)初始化操作：1、 时钟配置2、 初始化IO口3、 各模块初始化4、 各变量初始化5、 中断配置6、 开机动画进入低功耗模式程序开始中断标志1置位长时无操作ISR1 秒钟源中断标志2置位ISR2 测量模式清测量模式标志根据取样结果拟合并计算实际测量结果，显示结果进测量模式？测量模式标志置位中断标志3置位ISR3 触摸屏触发获取触摸坐标清中断标志清无操作标志3.6程序流程图：四、测量结果实际测量结果如表所示。4.

16、1 无干扰情况理论值(mV)1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01实测值(mV)1.023540.812110.523720.188590.091040.081790.0487640.020030.00970表1 无干扰测量结果4.2 一倍干扰情况理论值(mV)1 0.8 0.5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01实测值(mV)1.02241 0.80210 0.49365 0.18596 0.10104 0.07973 0.053664 0.02013 0.01528表2一倍干扰测量结果4.3 十倍干扰情况理论值(mV)1 0.8 0.

17、5 0.2 0.1 0.08 0.05 0.02 0.01实测值(mV)0.98748 0.79217 0.51385 0.19596 0.10231 0.07276 0.05360 0.01927 0.00922表3 三倍干扰测量结果五、结论本设计为锁定放大器，较好地实现了强噪声背景下微弱信号幅度的检测。设计过程中，主要针对微弱信号检测方法中的相敏检波技术进行了研究。该作品主要基于德州仪器公司模拟器件实现，对噪声源放大后与正弦干扰信号的叠加、衰减、滤波、检波，最后AD采样处理并显示，构成一套完整的锁定放大系统。为期四天的竞赛，我们每个人都受益匪浅。准备过程中，我们学会了绘制PCB、用化学方法

18、自制PCB板，也熟悉了MSP430F5529的编程，熟悉了TI公司各类模拟器件的使用我们学到了很多的知识，也感受到了理论与实际的区别。我们懂得了理论与实践实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。我们在竞赛的过程中遇到了很多问题，我们一度沮丧万分，但是我们坚持了下来，最终完成了作品的制作。在这过程中也对自己有了重新的认识，了解到了自己的不足之处，也意识到了团队合作的重要性。四天的比赛对我们来说是非常难得的人生体验：熬夜调硬件，通宵写程序，白天吃泡面，晚上睡实验室，解决一个问题，遇到另一个问题这段经历，必将成为我们今后学习生活中一笔宝贵的财富。最后感谢学校和TI公司提供这次参赛机会，让我们在实践中汲取知识、不断成长。六、参考文献1 高晋占. 微弱信号检测M. 清华大学出版社有限公司, 2004.2 Carter B, Mancini R. 运算放大器权威指南J. 2010.附录A、 电源板原理图：图16电源板原理图B、锁定放大器电路原理图：图17锁定放大器原理图15